对电力电子器件应用技术发展的思考

对功率电子器件应用技术发展的思考内容提要：功率电子技术诞生于晶闸管产生的1957年。发展到如今，就功率电子器件而言，早已从半控型的晶闸管进入以IGBT、功率MOSFET为代表的全控型器件的时代。至今，功率电子技术扔十分活跃，是电气工程领域最为活跃的分支，它给电气工程领域带来了翻天覆地的变化，令电气工程的面貌焕然一新。可以说，如果没有功率电子技术，电气工程发展到现在的水平是不可能的。本文从介绍什么是功率电子技术、功率电子技术的发展与应用开始，着重于对功率电子器件的发展与应用的分析和说明，并叙述具有代表性的功率电子电路，再对功率电子器件应用技术的发展前景进行一定的说明，最后对其发展做相应的总结与思考。关键词（key word）：功率电子技术、功率电子器件、功率变换、变流技术、电能控制、功率二极管、功率晶体管（GTR）、晶闸管（SCR）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、可关断晶闸管（GTO）、功率MOSFET、PWM、软开关、不可控、半控、全控、新型材料、集成电路技术。目录一、综述31.1 什么是功率电子技术31.2 功率电子技术发展史31.3 功率电子技术的应用5二、功率电子器件6三、功率电子器件的应用电路83.1 整流电路83.2 逆变电路93.3 DCDC变流电路93.4 ACAC变流电路103.5 PWM控制电路103.6 软开关电路11四、功率电子技术发展前景114.1 分布式电源124.2 大功率电子器件124.3 状态维修技术124.4 电磁兼容技术13五、总结与思考14一、综述1.1 什么是功率电子技术顾名思义，所谓功率电子技术就是应用于功率电子领域的电子技术。电子技术包括信息电子技术和功率电子技术两大分支。信息电子技术主要应用于信息处理，而功率电子技术则主要用于功率交换，其所交换的功率，功率大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至mW级。功率电子技术就是使用功率电子器件对电能进行交换和控制的技术。目前所用的功率电子器件均由半导体制成，故也称功率半导体器件。表1-1、功率变换的种类 输入 输出交流（AC）直流（DC）直流（DC）整流直流斩波交流（AC）交流功率控制变频、变相逆变如表1-1所示，功率变换通常可分为四大类，即交流变直流（AC-DC）、直流变交流（DC-AC）、直流变直流（DC-DC）、交流变交流（AC-AC）。进行上述功率变换的技术称为变流技术。通常把功率电子技术分为功率电子器件制造和变流技术两个分支。变流技术也称为功率电子器件的应用技术，它包括用功率电子器件构成各种功率变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成功率电子装置和功率电子系统的技术。可以认为，功率电子器件的制造技术是功率电子技术的基础，而变流技术则是功率电子技术的核心。功率电子器件制造技术的理论基础是半导体物理，而变流技术的理论基础是电路理论。1.2 功率电子技术发展史功率电子器件的发展对功率电子技术的发展起着决定性的作用，因此，功率电子技术的发展史是以功率电子器件的发展史为纲的。图1-1给出了功率电子技术的发展史。图1-1、功率电子技术的发展史一般认为，功率电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。晶闸管出现前的时期可称为功率电子技术的史前期或黎明期。1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于功率领域的先河。20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时期，也应用直流发电机组来变流。 1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。 晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流组，并且其应用范围也迅速扩大。功率电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、功率双极型晶体管（BJT）和功率场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。把驱动、控制、保护电路和功率电子器件集成在一起，构成功率电子集成电路（PIC），这代表了功率电子技术发展的一个重要方向。功率电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。随着全控型功率电子器件的不断进步，功率电子电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技术的应用在理论上可以使功率电子器件的开关损耗降为零，从而提高了功率电子装置的功率密度。 1.3 功率电子技术的应用功率电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、功率系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。 一般工业工业中大量应用各种交直流电动机，都是用功率电子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。 有些并不特别要求调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是功率电子装置。电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。功率电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。交通运输 电气化铁道中广泛采用功率电子技术。电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，功率电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开功率电子技术。 电动汽车的电机依靠功率电子装置进行功率变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开功率电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。 飞机、船舶和电梯都离不开功率电子技术。功率系统 据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上功率电子变流装置的处理。 直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠功率电子装置才得以实现的。 晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源功率滤波器（APF）等功率电子装置大量用于功率系统的无功补偿或谐波抑制。在配电网系统，功率电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量。 在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要功率电子装置。 电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。 在大型计算机等场合，常常需要不间断电源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供电，不间断电源实际就是典型的功率电子装置。家用电器 功率电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。 空调、电视机、音响设备、家用计算机， 不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了功率电子技术。其它 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用功率电子技术。 抽水储能发电站的大型电动机需要用功率电子技术来起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开功率电子技术。新能源、可再生能源发电比如风力发电、太阳能发电，需要用功率电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和功率系统联网 时，更离不开功率电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是功率电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是功率电子技术的用武之地。二、功率电子器件图2-1、功率电子器件在实际应用中的系统组成如图2-1所示，功率电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以功率电子器件为核心的主电路构成一个系统。功率电子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路：在电气设备或功率系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。广义上功率电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指功率半导体器件。 功率电子器件的特征： 1) 所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。2) 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。3) 由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路。4) 自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。 功率电子器件的分类：按照能够被控制电路信号所控制的程度半控型器件1) 主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。2) 器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。全控型器件1) 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。2) 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。不可控器件 1) 功率二极管（Power Diode）2) 不能用控制信号来控制其通断按照驱动信号的性质电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。 电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。按照驱动信号的波形（功率二极管除外 ） 脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。 电平控制型 必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。 按照载流子参与导电的情况 单极型器件 由一种载流子参与导电。 双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电。 复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。 三、功率电子器件的应用电路3.1 整流电路整流电路（Rectifier）是功率电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。 整流电路的分类1) 按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。2) 按电路结构可分为桥式电路和零式电路。3) 按交流输入相数分为单相电路和多相电路。4) 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为单拍电路和双拍电路。如图3-1所示，为一常见的单相桥式半控整流滤波电路。图3-1、单相桥式半控整流电路3.2 逆变电路与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等功率电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。有人甚至说，功率电子技术早期曾处在整流器时代，后来进入逆变器时代。下图为基本的单项桥式逆变电路。负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2图3-2、逆变电路及其波形举例3.3 DCDC变流电路直流-直流变流电路（DC-DC Converter）的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流电路也称斩波电路（DC Chopper），它的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为带隔离的直流-直流变流电路或直-交-直电路。直流斩波电路的种类较多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路。如下图为一升压斩波电路。图3-3、升压斩波电路3.4 ACAC变流电路交流-交流变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。交流-交流变换电路可以分为直接方式（即无中间直流环节）和间接方式（有中间直流环节）两种。直接方式 交流功率电子控制电路：只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路。变频电路：改变频率的电路。AC-AC变换电路广泛应用于灯光控制（如调光和舞台灯光控制）、异步电动机软启动和调速、供电系统对无功功率的连续调节等场合。3.5 PWM控制电路PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术，在AC-AC变流电路中涉及PWM技术的有斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路。 PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。3.6 软开关电路现代功率电子电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。功率电子电子电路的高频化可以减小滤波器、变压器的体积和重量，功率电子电子装置小型化、轻量化。但开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。 软开关技术降低开关损耗和开关噪声。使开关频率可以大幅度提高。下图为常见的几种软开关应用电路。图3-4、准谐振电路四、功率电子技术发展前景“功率电子技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高功率电子在终端能源中的比例。因为，在保证相同的能源服务水平的前提下, 使用功率电子这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为功率电子使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、储存、 分配和使用的技术将成为下世纪功率电子技术的重点领域。功率电子技术属于传统技术的范畴，技术创新和出现重大突破的机会要比信息科学、生命科学、材料科学等新兴学科少得多。但是，应该看到，功率电子技术与其他学科的相互交叉和渗透的趋势越来越明显。功率电子研究的一些前沿课题反映了这种趋势。以下将对若干功率电子前沿技术的现状和未来发展前景进行评述。4.1 分布式电源分布式发电装置（Distributed Generation）是指功率为数千瓦至50 MW小型模块式的、与环境兼容的独立电源。这些电源由功率部门、功率用户或第3方所有，用以满足功率系统和用户特定的要求。如调峰、为边远用户或商业区和居民区供电，节省输变电投资、提高供电可靠性等等。当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC)、微型燃气轮机（Microtur_bines）和各种工程用的燃料电池（Fuel Cell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。4.2 大功率电子器件功率电子学（Power Electronics）的应用已经有多年的历史。功率电子学器件用于功率拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（High Power Electronics）的快速发展也引起了功率系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。近10多年来，可控整流器(SCR)、可关断的晶闸管(GTO)、MOS控制的晶闸管(MCT)、绝缘门极双极性三极管(IGBT)等大功率高压开关器件的开断能力不断提高。目前，已经生产出6 kA、6kV的GTO，单个元件的开断功率可达到30 MW左右，这无疑是一个巨大的进步。近年来，大功率电子器件已经广泛应用于功率的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（FACTS）、定质功率技术（Custom Power）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率功率电子器件的研究开发和应用，将成为下世纪的功率研究前沿。4.3 状态维修技术状态维修技术（Condition Based Maintenance）可以包涵可靠性为中心的维修技术（RCM）和预测维修技术（PDM）。这2项技术最初是应用于航空航天系统，后来移植应用于核电站的维修，近年已成功地用于发电厂设备的维修，并正在用于输变电设备的检修。电力系统的可靠性在很大程度上取决于电力设施的可靠性。随着电网容量的增大和用户对供电可靠性要求的提高，维修管理的重要性日益显现出来。维修费用占电力成本的比例也不断提高。一座现代化核电站的运行维修费用已超过燃料费用。如何采取合理的维修策略和正确决定维修计划，以保证在不降低可靠性的前提下节省维修费用，便成为电力部门或负责设备维修的公司面临的重要课题。近年来，由于电力体制的改革，电力设备的维修也开始进入市场，过去电力部门独家负责设备维修的局面已被打破，电力设备制造部门也开始介入维修这一领域。由于设备制造商对设备的设计和薄弱环节了如指掌，加上备品备件来源有保证，往往在承接维修合同的竞争中处于有利地位。电力部门对于设备的运行状况十分熟悉，对系统中可能出现的各种电气、热、机械应力和气象影响因素十分了解，承担维修任务也具有优势。竞争促进了技术的发展。过去电力设备维修常用的定时检修（Timebased Maintenance）和以定时检修为基础，根据经验决定延长或缩短维修周期的做法已不能满足需要，需要发展新技术。4.4 电磁兼容技术电磁兼容（EMC）是指设备或系统在所处的电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何其他事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容技术是一门迅速发展的交叉学科，涉及电子、计算机、通信、航空航天、铁路交通、电力、军事以至人民生活各个方面。在当今信息社会，随着电子技术、计算机技术的发展，一个系统中采用的电气及电子设备数量大大增加，而且电子设备的频带日益加宽，功率逐渐增大，灵敏度提高，联接各种设备的电缆网络也越来越复杂，因此，电磁兼容问题日显重要。电力系统中，在电网容量增大、输电电压增高的同时，以计算机和微处理器为基础的继电保护、电网控制、通信设备得到广泛采用。因此，电力系统电磁兼容问题也变得十分突出。例如，集继电保护、通信、SCADA功能于一体的变电站综合自动化设备，通常安装在变电站高压设备的附近，该设备能正常工作的先决条件就是它能够承受变电站中在正常操作或事故情况下产生的极强的电磁干扰。此外，由于现代的高压开关常常与电子控制和保护设备集成于一体，因此，对这种强电与弱电设备组合的设备不仅需要进行高电压、大电流的试验，同时还要通过电磁兼容的试验。GIS的隔离开关操作时，可以产生频率高达数兆赫的快速暂态电压。这种快速暂态过电压不仅会危及变压器等设备的绝缘，而且会通过接地网向外传播，干扰变电站继电保护、控制设备的正常工作。随着电力系统自动化水平的提高，电磁兼容技术的重要性日益显现出来。尽管全球的科学家对此进行了大量的研究，由于此问题极其复杂，至今尚难以得出结论。预测未来需要开展更多的研究课题。五、总结与思考 功率电子技术的应用十分广泛，现在已经渗透到了工业乃至民生的每一个角落，在功率电子发展的早期，的确需要不断寻找新的用途，时至今日，如果要找出一个使用电能的领域完全不用功率电子技术恐怕已经很困难了。功率电子技术在电力传动、各种交直流电源、电力系统、焊接和照明等各方面的应用非常广泛，但本文未免有所疏漏了。 由于功率电子技术已经广泛的应用于电气工程、电子工程、自动化工程、通信工程等诸多工程领域，其范围遍及工业、交通、电力、军事、航空航天航海、建筑乃至家庭等几乎所有的方面。可以看出，功率电子技术已经成为一门基础性和支持性都很强的技术。可以说，凡是需要电源的地方，或需要运动并对运动进行控制的地方，都离不开功率电子技术。 功率电子技术已经取得了辉煌的成就，但它仍是一门方兴未艾的技术。功率电子器件制造技术是功率电子技术的基础，功率电子器件制造技术的每次重大进步都对功率电子技术的发展产生着深远的影响。迄今为止，用于制造功率电子器件的材料都是硅半导体材料。对于新的材料，如碳化硅、氮化镓、砷化镓、金刚石等的研究已进行了多年。目前，碳化硅二极管以其优越的性能已获得了广泛的